单层硒化硅应变性能的第一性原理研究

发布时间：2020-10-10 23:45

　　 单层硒化硅是一种新型的二维材料,单层硒化硅具有与磷烯类似的褶皱结构。在众多调节二维材料电子性质的方法中,平面应变调节被认为是有效的方法。在本论文中我们利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,主要研究了应变对单层硒化硅(SiSe)微观结构和电子性质的影响。本论文运用了第一性原理的计算方法,研究了单层硒化硅的结合能、声子谱。我们还通过利用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学的方法,在323K和400K的温度下对单层SiSe结构的热稳定性进行了计算。计算结果说明了单层SiSe结构在室温条件下的稳定性。运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了单层SiSe的能带结构。通过广义梯度近似下的PBE泛函计算,发现单层硒化硅是一种具有带隙大小为0.773eV的间接带隙半导体。利用HSE06杂化泛函理论对单层硒化硅的能带进行了对比分析。发现单层硒化硅打开了一个1.09eV的间接带隙。通过对单层SiSe施加平面应变的研究发现:在对单层硒化硅施加扶手型方向拉伸应变时,单层硒化硅的带隙随着拉伸应变的增加呈现出增加的趋势。在对单层硒化硅施加扶手型方向压缩应变时,单层硒化硅的带隙随着压缩应变的增加呈线性减小的趋势,且在应变调节过程中单层SiSe 一直保持着间接带隙半导体的特征。当沿着锯齿型方向的拉伸应变增加到6%时,单层SiSe的带隙由间接带隙转变为直接带隙。同时研究结果表明当对单层SiSe施加的双轴压缩应变达到-5%时,单层SiSe的间接带隙半导体性质变为金属性质。此外,当作用在单层SiSe上的双轴拉伸应变达到6%时,单层SiSe的带隙由间接带隙转变为直接带隙。除此之外,我们还计算了对单层SiSe施加双轴应变的其他两种情况,即在扶手型方向上施加拉伸应变,同时在锯齿型方向上施加压缩应变;在扶手型方向上施加压缩应变,同时在锯齿型方向上施加拉伸应变。当对单层SiSe在扶手型方向施加的压缩应变为-7%,同时在锯齿型方向施加的拉伸应变达到7%时,单层SiSe的带隙由间接带隙转变为了直接带隙。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.72
【部分图文】：

，一??种叫做黑磷的二维材料，同时层状的黑磷己经被成功从块体上剥离在人们??对电子应用中的层状材料感兴趣之前，早在上个世纪６０年代就有科研工作者发??现了层状黑磷为直接带隙的半导体材料，同时还具有高的载流子迁移率。磷烯是??—种单原子层的黑磷，黑磷层与层之间存在范德瓦尔斯力，且黑磷结构中磷原子??与磷原子之间成共价键，在二维（２Ｄ）电子材料领域中正逐渐成为一种极具应用潜??力的竞争者ｍ－ｎ］。磷元素组成了很多不同类型的异构体，研究发现在这些异构体??中黑磷结构是在常温常压下最为稳定的结构。具有良好柔初结构的半导体磷烯??［１４－１５〗在气体传感器Ｉ１６］、热电学［１７］、锂电池［１７】等方面有着广泛的应用潜力。与石??墨稀不同的是，石墨烯的成键方式是ｓｐ２杂化，导致其结构是平面蜂窝状，由于??磷烯中磷原子与磷原子成键类型是ｓｐ３杂化，因此磷烯是蜂窝状褶皱结构。如图??１．１中所示，为黑磷的几何结构图和单层磷烯的能带结构图，单层黑磷是直接带??隙半导体，并打开了一个大小为〇．９２ｅＶ的带隙Ｗ。随着电子器件对半导体材料??的需求逐渐增强，而新型二维材料黑磷具有比石墨烯更优岛的特性，具备更大的??应用潜力。??

以后受到了人们的极大关注的二维半导体材料。近年来，ＳｎＳｅ作为一种无毒无??污染且由在地球上含量丰富的硒元素（Ｓｅ）锡元素（Ｓｎ）组成的窄带隙半导体［４６－４９］。??如下图１．３（ａ）所示ＳｎＳｅ单层的结构与体电子数与磷烯相同，但ＳｎＳｅ的电子性质??与黑磷却有很大的不同。单层ＳｎＳｅ具有间接带隙为０．９ｅＶ，当对单层ＳｎＳｅ施加??沿Ｘ轴方向的拉伸应变时，在拉伸应变增加到３％时使得单层ＳｎＳｅ的带隙发生??转变，单层ＳｎＳｅ的带隙由间接带隙变为直接带隙＿］。通过对ＳｎＳｅ自旋轨道耦??合（ＳＯＣ）的研宄，发现ＳｎＳｅ结构缺失反转对称性导致了?ＳｎＳｅ的电子能带结构中??自旋简并断裂［６７］。多层ＳｎＳｅ内层与层之间存在范德瓦耳斯力的相互作用。Ｌｉｎｄａ??Ｃ等人使用第一性原理杂化泛函计算方法计算了单层ＳｎＳｅ、双层ＳｎＳｅ、块体ＳｎＳｅ??的能带结构，发现ＳｎＳｅ的带隙均为间接带隙，且ＳｎＳｅ的带隙随层厚的增大明??显减小［５１－５２】。研究表明单层ＳｎＳｅ具有极低的热导率和显著热电性能。单层ＳｎＳｅ??可以通过湿化学法、Ｌｉ插层剥落法、和气相输运沉积等方法制备。除此之外，??基于气相输运沉积得到的ＳｎＳｅ纳米板场效应管被成功地制备了。??４??

于二维材料在结构和物理性质方面的独特性，这促使科研工作者们继续寻找拥有??特别性质的二维材料。与单层ＳｎＳｅ不同的是单层ＧｅＳｅ是一种具有直接带隙的??类磷烯材料％］。如图１．４所示，通过第一性原理计算发现单层ＧｅＳｅ具有直接带??隙且大小为１．１６ｅＶ。单层ＧｅＳｅ在平面拉伸应变作用下会使单层ＧｅＳｅ的带隙转??变为间接带隙，随着作用在单层ＧｅＳｅ上的拉伸应变的增加单层ＧｅＳｅ的带隙又??会从间接带隙变为直接带隙且带隙逐渐增大。另一方面，在单层ＧｅＳｅ在压缩应??变作用下的带隙随压缩应变的增加逐渐减小，当施加在单层ＧｅＳｅ上压缩应变／十：??－８％时单层ＧｅＳｅ由直接带隙变为间接带隙同时，层状ＧｅＳｅ的带隙随普厚度??５??
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本文编号：2835716